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  1. 1. LA CONCEPTIONASSISTÉE PAR ORDINATEUR DE MOTEURS ET ENTRAINEMENTS ÉLECTRIQUES A AIMANTS PERMANENTS ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALEDE LAUSANNE POUR L'OBTENTIONDU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCESTECHNIQUES PAR KEYVAN HATEFI Ingénieurélectricien diplômé EPF de nationalité iranienne acceptéesur propositiondujury: Prof. M. Jufer, rapporteur Prof. A. Foggia, corapporteur Prof. J.-J. Simond, corapporteur Dr N. Wavre, corapporteur Lausanne, EPFL 1994
  2. 2. Concevoir et analyserdes entraînements électriquesdans des perspectives d'amélioration des performances, de réduction des coûts de fabrication et d'adaptation à la demande du marché, incitent de plus de plus les industriels concernés, les fabricants des entraînementsainsi que ceux des machines électriques,à s'équiper d'outils informatiquesappropriésde conceptionet d'analyse. Le "moteur", en tant que l'élément central, influence directement la qualité d'un entraînement électrique. Ainsi, la réalisation d'une nouvelle gamme de moteurs, avec des cahiers des charges toujoursplus sévères,est devenue une priorité pour les industriels. Dans cette optique, les machines électriques à aimants permanents, par leurs performances intéressantes en couple massique et volumique ainsi que par le niveau Clevéde fiabilitéde fonctionnement,constituent des solutions avantageuses. Réalisé et mis au point sous forme d'un logiciel de CAO,le présent travail de doctorat contnbue à satisfaire au besoin d'un outil d'analyse, de conception et de dimensionnement sous contrainte de différents types de moteurs à aimants permanents, tout en tenant compte de l'intégration dans un systèmed'entraînement. Dans la première étape du présent travail, nous avonsprocédé à une analyse systématique des machines à aimants permanents de types synchrone et à courant continu à collecteur. Une nouvelle méthodologie de dimensionnement de machines électriques, basée sur la notion de la fonction d'utilisation a été mise au point. L'analyse détailléede dimensionnement a mis en exergue certaines différences par rapport aux machines électriques à excitation électromagnétique. Sans tenir compte de ces différences, les résultats de dimensionnement sont loin de satisfaire les exigencesdu cahier des charges. Parmi les développemenüeffectuds les plus importants, on peut citer l'étude de l'induction dans l'entrefer, l'établissement des fonctions d'utilisation, le calcul du couple moyen et l'élaboration d'un modèle thermique. Finalement, dans le cadre de cette première étape, nous avons réalisé un certain nombre de modules d'analyse et de dimensionnementintégrant les différentsdéveloppementseffectués. La deuxième étape de notre travail, centre sur le concept d'entraînement électrique, a consisté à réaliser un logiciel global utilisant les modules d'analyse en question. Par sa structure modulaire et grâce il la réalisation d'une base de données, ce logiciel permet l'analyse de la combinaison du "moteur"avec les autresCléments d'un entraînementélectrique.
  3. 3. ABSTRACT The design and analysis of electricaldrives in order to improve the performances and to reduce the costs, incites the concerned industrials as well as the drive and electrical machines' manufacturersto seek more sophisticatedsoftwaredesign tools. The quality of an electrical drive is determined primarily by its key element, "themotor". Meanwhile, a major pnority for the industry is to produce new generations of motors under ever tighter specifications. Permanent magnet machines offer interesting solutions due to their advantagesin specificand volume torque as weii as their high reliability. The main contribution of this work consists in a CAD tool which can be used to analyze, design and size, under comnaint, different permanent magnet motors in view of integration into drive systems. We begin by presenting a systematic analysis of permanent magnet synchronous and direct current machines with collector. A new method for electrical machines design, based on the usejùnction concept has been proposed. The detailed down analysis highlights certain differences compared to electrical excitation machines. Designs ignoring these differences would be far from satisfying the specifications. Among the most important developments in the present work is the study of the induction in air-gap, setting up the use functions of PM motors, calculationof average torque and elaborationof thermal model. Further more we present a number of analysis and sizing packages based on thesedevelopments. In a second phase, we focus on electrical drives and describe the development of an integrated CAD tool based on packages mentioned above. Due to its modular structureand through the implementation of a data base, this CAD tool allows the analysis of the motor together with other elements of the electricaldrive.
  4. 4. TABLE DES MATIÈRES (VOLUME~, REMERCIEMENTS................................................................................................................................ v RÉSUMÉ .............................................................................................................................. vii ABSTRACT ...............................................................................................................................ix CONVENTIONS ......................................................................................................................... xi .................................................................................CHAPITRE 1 INTRODU~ONGÉNÉRALE 1.1 1.1 Cadre et présentationde la thèse ............................................................... 1.1 ..................................................................................1.2 Structuredu mémoire 1.4 CHAPITRE2 . DE CONCEPTIONDEMOTEURSÉLECTRIQUES ...................................2.1 . ..........................................................2.1 Introduction défitions de base 2.1 2.1.1 Domaine d'application de la méthodologie développée.......................................................................2.1 2.1.2 Entraînementélectrique et sacaractérisation .....................2.2 2.1.3 Composantsd'un systèmed'entraînement électrique..........2.2 2.1.4 Cahierdes charges. données de base ..................................2.3 2.1.5 Liste desparamètres ou desdonnées secondaires ..............2.5 2.1.6 Contraintes....................................................................2.5 2.1.7 Solutiond'unproblème d'entraînement ..............................2.5 2.1.8 Caractérisationde l'organe entraîné.................................... 2.7 2.1.9 Caractérisationde la machine électrique............................2.7 ...........................................2.1.10 Typesde machines électriques 2.7 2.1.11 Élémentsdeconceptiond'une machine électrique.............2.9 ............................2.1.12 Classification d'une machineélectrique 2.10 2.1.13 Liste des composants principaux d'une machine électrique.................................................................... 2.10 .................................2.1.14 Alimentation. conversionet capteur 2.12
  5. 5. ......................................2.1.15 Bloc detransmissionmécanique 2.12 2.1.16 Mécanismes de transmission sans transformationde .......................................................................mouvement 2.13 2.1.17 Mécanismes detransmission avectransformationde .......................................................................mouvement 2.15 2.2 Structurationet analysedu composant "moteur(machine) ............................................................................................électrique" 2.16 2.2.1 Base de données pour un système d'entraînement ..........................................................................électrique 2.16 ............................................2.2.2 Base dedonnées-Matériaux 2.18 2.2.3 Étapes d'analyse de la méthodologie proposée lors d'un projet de dimensionnement des machines .........................................................................électriques 2.19 Ré-dimensionnement .Terminologieet définitions de base relatives à la structure d'une machine ..........................................................................élecmque 2.20 ...................2.2.5 Pré-dimensionnementd'un moteur- Principe 2.27 2.2.6 Analyse paramétrique lors d'un calcul de pré- dimensionnement.............................................................. 2.28 2.2.7 Dimensionnementfinal ...................................................2.29 .......................................2.2.8 Évolution dela basededonnées 2.31 .............................2.3 Méthodes de conceptiondesmachinesélecmques 2.32 ......................................................................2.3.1 Introduction 2.32 2.3.2 Mbthodesd'blbments finis............................................... 2.32 ....................2.3.3 Méthodedirectepar coefficientd'utilisation 2.33 ..2.3.4 Fonction d'uahsation....................................................... 2.33 2.3.5 Méthodologie proposée .Démarche générale de .....................dimensionnementd'une machineélectrique 2.34 .......................................................2.4 Moteuret entraînementélectrique 2.36 2.5 Analysedela structureetdimensionsdu composant"moteur électrique"............................................................................................ 2.38 2.5.1 Annaturesmagnétiquesdel'induit et de l'excitation........2.38 2.5.2 Dimensionsprincipalesrapportées...................................2.39 2.5.3 Dimensionssecondairesrapportees.................................. 2.41 2.5.4 Excitationsà aimantspermanents ....................................2.44 2.5.5 Dispositiondesaimantsdansl'armature magnétique . .d'excitation........................................................................ 2.45 2.5.6 Forme géomCtrique des aimants et de l'armature . .d'excitation......................................................................2.46
  6. 6. TABLEDESMATIÈRES .VOLUMEI xvii 2.5.7 Types de magnétisationd'un aimant.................................2.52 2.5.8 Modèle macroscopique d'un aimant et calcul de l'armature magnétiqued'excitation ................................... 2.53 2.5.9 Armature magnétique d'induit . Structure. ......................................................................terminologie 2.54 2.5.10 Dimensionsde l'induit et des dents...................................2.56 2.5.11 Calcul des Dimensions de l'induit et du nombre de dents..................................................................................2.60 2.5.12 Enroulementspolyphasés d'induit ....................................2.60 2.5.13 Analyse et détermination des paramètres d'un ..................................................enroulement (polyphasé) 2.61 2.5.14 Composants mécaniques .calcul des efforts et des pertes................................................................................. 2.64 . ...................................2.5.15 Masseset encombrements inertie 2.64 CHAPITRE3 MOTEURS ÉLECTRIQUESÀ AIMANTS PERMANENTS...........................................3.1 3.1 Contributionsaux algorithmesde dimensionnement de moteurs à aimantspermanents............................................................................3.1 3.2 Spécificitésdes moteursà aimantspermanents.....................................3.2 ...................................3.3 Types de moteurs à aimantspermanentsétudiés 3.2 3.3.1 Machines synchrones à aimants permanents à rotor intérieur...........................................................................3.3 3.3.2 Machines synchrones à aimants permanents à rotor extérieur..............................................................................3.5 3.3.3 Machines à courant continu à collecteur à aimants permanents......................................................................... 3.7 3.4 Épaisseurd'entrefer et longueur activeidéales dans une machine à aimantspermanents............................................................................. 3.9 3.4.1 Introduction...................................................................... 3.9 3.4.2 Entrefer et longueur active d'une machine . ......................................................électrique généralités 3.10 3.4.3 Machines à excitation bobinée et machines à aimantspermanents .ondulationde l'induction dans l'entrefer.........................................................................3.12 3.4.4 Facteur de Carter pour une machine à aimants permanents......................................................................3.13 3.4.5 Entrefer idéal pour une machine à aimants ........................................................................permanents 3.15 3.4.6 Entrefer idéal pour une machine à aimants permanents -résultats.......................................................3.18
  7. 7. TABLEDES MATIERES -VOLUME 3.4.7 Longueuractive idéale pour une machine à aimants ...............................-influencedescanaux deventilation 3.20 3.4.8 Longueuractive idéale pour une machine à aimants ............................................................-effetd'extrémités 3.22 3.4.9 Longueur activeidéale pour une machine à aimants -résultats ........................................................................3.24 3.4.10 Réduction du couple réluctant sans courant par l'inclinaison desencoches-Influencede la longueur idéale ................................................................................3.28 ..........Induction dansl'entrefer d'unemachineà aimantspermanents 3.32 3.5.1 Introduction .................................................................... 3.32 3.5.2 Hypothèsesgénérales ...................................................... 3.33 3.5.3 Prédétermination de l'induction dans l'entrefer pour une machine à aimants radiaux à magnétisation parallèle .........................................................................3.34 3.5.4 Préd6temiination de Sinductiondans l'entrefer pour une machine à aimants radiaux à magnétisation ..........................................................parallèle-Résultats 3.37 3.5.5 Prédéterminationde l'induction dans l'entrefer pour une machine à aimants radiaux à magnétisation radiale ...............................................................................3.38 3.5.6 Prédétermination de l'induction dans l'entrefer pour une machine à aimants radiaux à magnétisation .............................................................radiale -Résultats 3.42 3.5.7 Calcul analytique de l'induction dans l'entrefer Bô(x) pour aimants à disposition radiale - Introduction .................................................................... 3.43 3.5.8 Calcul analytique de l'induction dans l'entrefer Bg(x) pour aimantsà dispositionradiale- Méthode générale ........................................................................... 3.46 3.5.9 Calcul analytiquede Bô(x) -aimantsà disposition radiale, à flancs parallèles, type 6 ou 9, à magnétisationparaïlèle....................................................3.50 3.5.10 Calcul analytiquede Bô(x) -aimantsà disposition radiale, à flancs parallèles, type 6 ou 9, à magnétisationparallèle -Résultats...................................3.54 3.5.11 Calcul analytiquede B6(0) -aimantsà disposition radiale, à flancs parallèles, type 7 ou 8 (section axiale rectangulaire),à magnétisation parall&le...............3.56
  8. 8. TABLEDES MATIÈRES-VOLUME xix 3.5.12 Calcul analytique de B6( 8 ) - aimants à disposition radiale, à flancs parallèles, type 7 ou 8 (section axiale rectangulaire), à magnétisation parallèle - Résultats...........................................................................3.58 3.5.13 Calcul analytique de B6(8) - aimants à disposition radiale, à flancs radiaux, type 2 ou 3 - Expressions et résultat.......................................................................3.60 3.5.14 Calcul analytique de B5(8) - aimant cylindrique, type 13, p = 1 -Expression etrésultat ............................3.62 3.5.15 Méthodologie de calcul d'induction dans I'entrefer d'une machine à aimants radiaux ou à aimant ........................................................................cylindrique 3.64 3.5.16 Induction dans l'entrefer d'une machine à aimants ..................................................tangentiels - Introduction 3.65 3.5.17 Induction dans I'entrefer d'une machine à aimants ...................................................tangentiels - Hypothèses 3.66 3.5.18 Induction dans I'entrefer d'une machine à aimants ....................................................tangentiels -Expression 3.68 3.5.19 Induction dans I'entrefer d'une machine à aimants .......................................................tangentiels -Résultats 3.70 3.5.20 Méthodologie de calcul d'induction dans I'entrefer .................................d'une machine à aimants tangentiels 3.73 3.6 Fonctionsd'utilisation des machines à aimantspermanents................3.74 3.6.1 Introduction...................................................................... 3.74 3.6.2 Potentielmagnétiqueet couple électromagnétique..........3.74 3.6.3 Fondamentale du couple électromagnétique dans .......................une machine à aimantsàcourant alternatif 3.81 3.6.4 Fonction d'utilisation d'une machine à aimants ........................................permanents à courant alternatif 3.86 3.6.5 Fondamentale du couple d'une machine à aimants ..............permanents à CC à C et sa fonction d'utilisation 3.88 3.6.6 Variations de la fonction d'utilisationd'une machine ........................................................à aimantspermanents 3.91 .............................3.7 Couplemoyen des machines 2 aimantspermanent 3.93 .......................................................................3.7.1 Introduction 3.93 3.7.2 Introduction au calcul du couple moyen - Équation de tension de phase ...........................................................3.93 3.7.3 Formulation générale du couple moyen des machines à aimants..........................................................3.95
  9. 9. 3.7.4 Couple moyen .commande en tension (courant) sinusoïdaleou continue....................................................3.99 2.7.5 Couple moyen .commande en tension non- sinusoïdale........................................................................3.99 3.7.6 Couple moyen .commande en courant non- sinusoïdalàl'allure imposée............................................. 3.99 3.7.7 Étude du couple statique d'un moteur synchrone à ........................................................aimantspermanents 3.103 .......................3.8 Calcul d'échauffementet systèmederefroidissement 3.106 ....................................................................3.8.1 Introduction 3.106 .........................3.8.2 Hypothèseset simplificationsgénérales 3.107 . ......................3.8.3 Systèmederefroidissement Généralités 3.108 3.8.4 Système de refroidissement . Caractérisation simplifiéede la ventilation .............................................3.109 3.8.5 Systèmederehidissement .Nombre et dimensions ......................................................................desailettes 3.111 3.8.6 Système de refroidissement . Vitesses de .......................................................................ventilation 3.112 ...............................................3.8.7 Températurederéférence 3.114 3.8.8 Puissances thermiques.................................................3.114 3.8.9 Phénomènesde transmissiondechaleur........................3.115 3.8.10 Schéma équivalent thermique pour machine à aimantspermanents à induit exterieur fme .modèle .....................................................................................A 3.115 3.8.11 Schéma équivalent thermique pour machine à aimantspermanents à induit intérieur .modèleA .........3.120 3.8.12 Élémentsdes schémaséquivalentsthermiques..............3.120 3.8.13 Échauffementen servicecontinu nominal. modèleA ........machinesà aimantspermanentsà induit extérieur 3.120 3.8.14 Échauffementen servicecontinu nominal, modèleA .machinesà aimantspermanentsà induit intérieur .......3.122 3.8.15 Régime thermique transitoire .Schéma équivalent thermique pour machines à aimants permanents - .........................................................................modèleB 3.123 3.8.16 Échauffement en régime transitoire. modèle B . machines à aimantspermanents .....................................3.125 CHAPITRE4 LOGICIELDE CAODE MOTEUR POUR ENTU~EMENTSÉLECTFUQUES.............4.1 4.1 Introduction...........................................................................................4.1 4.2 Objectifsvisés et structureglobale....................................................4.2
  10. 10. TABLEDES MATIÈRES .VOLUME I ni 4.2.1 But de départ....................................................................... 4.2 4.2.2 Session de conception........................................................4.6 4.2.3 Rôle de labase de données.................................................4.6 4.2.4 Base de données.Blocs des composants...........................4.7 4.2.5 Base de données .Banquede matériaux ............................4.9 4.2.6 Unités d'analyse ................................................................4.10 4.2.7 Caractéristiquesdu logiciel LCEE...................................4.11 4.3 Contraintes........................................................................................4.12 .......................................................................4.3.1 Introduction 4.12 .................................................4.3.2 Contraintesgéométriques 4.12 ........................................................4.3.3 Contrainte thermique 4.14 4.3.4 Contraintesmagnétiques...................................................4.14 .............................................................4.3.5 Autres contraintes 4.15 4.3.6 (Pré-)dimensionnementsansconirainte .............................................4.4 Pré-dimensionnement.boucle de calcul 4.16 4.5 Dimensionnementfinal .boucle de calcul ..........................................4.19 4.6 Liaison entre lepré-dimensionnementet le dimensionnement . ..............................................................final boucle finalede calcul 4.21 4.7 Entraînement électriqueet comportement dynamique ........................4.23 ............................................................................CHAPITRE5 EXPLOITATIONETRÉSULTATS 5.1 ............................................................................................5.1 Introduction 5.1 5.2 Conceptionet mesure d'un prototypede machine synchroneà aimants permanents àrotor intérieur ....................................................5.2 ..............................................................5.2.1 Cahier descharges 5.2 5.2.2 Pré-dimensionnementet dimensionnementfinal................5.3 .............................................................................5.2.3 Prototype 5.3 5.2.4 Mesures et comparaison desrésultats................................5.5 .............5.3 Étudecomparativeparamétrique de divers moteurs à aimants 5.9 5.3.1 Objectif.............................................................................. 5.9 5.3.2 Cahier deschargeset contraintes......................................5.10 ............................................................................5.3.3 Résultats 5.11 5.3.4 Interprétation desrésultats................................................5.17 5.4 Étude comparativeparamémque de moteurs synchronesà ............................................................................aimants etreluctants 5.18 ................................................................5.4.1 Objectif etcadre 5.18 ............................................................................5.4.2 Résultats 5.19 ................................................5.4.3 Interprétation des résultats 5.23 ................................................5.5 Influence d'une contrainte de longueur 5.24 .............................................................................5.5.1 Objectif 5.24
  11. 11. TABLEDES MATIÈRES .VOLUME I .............Rbsultats pré-dimensionnement sansconirainte 5.25 Interprétation des rbsultats .pré-dimensionnement ..................................................................sanscontrainte 5.27 Résultats sans contrainte .influence du type .....................................d'aimant etde magnétisation ....5.27 Interprétation des résultats .influence du type ............................................d'aimantet de magnétisation 5.29 Résultats sans contrainte . influence de la tempéra- deréfexence ................................................ 5.29 Interprétation des résultats . influence de la températurededférence............................................... 5.30 Résultatssans contrainte.comparaison au cas avec une contraintegéométrique.............................................. 5.30 Interprétation des résultats .comparaison au cas ......................................avec une contraintegéométrique 5.33 5.6 Étudecomparativeparam6tnquedemoteursàaimantspour une applicationà hautevitesse..............................................................5.33 5.6.1 Objectif........................................................................ 5.33 5.6.2 Résultats ..........................................................................5.34 5.6.3 Interpretationdesrésultats..............................................5.34 ..............................................................5.7 Aspect du coût defabrication 5.38 CHAPITRE6 S ~ S EETCONCLUSIONS..............................................................................6.1
  12. 12. ..- TABLEDES MATIÈRES-VOLUME I xuïi ANNEXES (VOLUMEI) ANNEXES DU CHAPITRE2..............................................................................ANX 1 Annexe 2.1 Liste des donnéesde l'organe entraîné......................................AMY 1 Annexe 2.2 Liste des donnéesdu pré-dimensionnementd'un moteur à .......................................................................................aimants ANX 5 Annexe 2.3 Liste des donnéesdu dimensionnementfinal..........................AMY 22 Annexe 2.4 Largeur d'une dent en fonction de l'induction maximale dansI'entrefer ......................................................................... ANX 27 Annexe 2.5 Tension induite instantanée,en fonction des harmoniques de l'induction d'excitation à aimants. dans un enroulement .................................................................................concentré ANX 29 Annexe 2.6 Valeur efficace dela tension induiterésultante.......................ANX 33 ANNEXES DU CHAPITRE 3...........................................................................ANX 36 .....................................................................Annexe 3.1 Facteur de Carter mx 36 Annexe 3.2 Longueur idéale de la machine............................................. ANX 38 Annexe 3.3 Facteur d'inclinaison des dents pour le couple réluctant .............................................................................sans courant ANX 40 Annexe 3.4 Décomposition en série de Fourier des distributions de ...............................l'induction dansI'entrefer àformedonnée ANX 43 .........................................................A3.4.1 Onde rectangulaire ANX 43 ..........................................................A3.4.2 Onde trapézoïdale ANX 44 ...........................................................A3.4.3 Onde triangulaire A N X ~ ~ Annexe 3.5 Calcul analytique de B8(8) - aimants à disposition .................radiale. à flancsradiaux. type 2ou 3-expressions A N X ~ ~ Annexe 3.6 Calcul analytiquede Bô(8).aimant cylindriquetype 13. . ...................................................................P = 1 expression A N X ~ ~ Annexe 3.7 Expressiondu courant mutuel 5 3.7.2 ..................................... mx50 ........................Annexe 3.8 Notions de base de la transmission de chaleur mx52 A3.8.1 Transmission de chaleur par conduction .résistance .................................................................deconduction ANX 52 A3.8.2 Transmission de chaleurpar convection .résistance .................................................................de convection ANX 52 A3.8.3 Transmission de chaleur par rayonnement . .............................................résistancederayonnement ANX 53 .........................A3.8.4 Régime transitoire-capacitéthermique ANX 54
  13. 13. TABLEDES MATIÈRES-VOLUME I Annexe 3.9 Échauffement en service continu nominal - machine à aimantspermanents.................................................................ANX 55 ..........................A3.9.1 Températuredesconducteurs, fiicond ANX 55 ............A3.9.2 Températureà la surfacede la machine, 29SM ~7x57 ...................................A3.9.3 Temperaturedansl'entrefer, fiâ ANX 58 Annexe 3.10 Échauffement en régime transitoire - machine à aimants permanents ...........................................................................ANX 59 A3.10.1 Simplification et transformation du schéma équivalent .......................................................................ANX 59 A3.10.2 Polynômecaractéristique ...............................................MX 61 A3.10.3 Températuredes conducteurs en fonction du temps, fiimd (t)........................................................................A N X ~ ~ A3.10.4 Températuredes conducteurs en fonction du temps, tJimd (t)......................................................................ANX67 A3.10.6 Temperaturedansi'entrefer, t9*(t) ............................... ANX 70 ANNEXES DU CHAPITRE5 .............................................................................ANX 72 Annexe 5.1 Prototypede la machine synchroneà aimantspermanents .............................................à rotor intérieur -BLDCM-InR6 ANX 72 LlSTE DES SYMBOLES .................................................................................................................. LSY I RÉFBRENCESBZBLZOGWHZQUES ..............................................................................................REF I INDEXE (VOLUME 1)............................................................................................................................ INXI CURRICULUM VZTÆ

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